纜索吊裝系統(tǒng)無(wú)橫向纜風(fēng)塔架柱腳加固技術(shù)措施

張世輝ZHANG Shi-hui

（中鐵二局集團(tuán)有限公司，成都 610031）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的不斷完善以及高速鐵路“八縱八橫”計(jì)劃的實(shí)施，各類型橋梁在公鐵線路上大放異彩，而拱橋是山區(qū)橋梁的常用橋型之一[1]。拱橋是跨越河流、深山峽谷等各類障礙物的一類通道，但因河流、深山峽谷的阻礙，使得拱橋拱肋的施工成為了難點(diǎn)，纜索吊裝斜拉扣掛懸臂拼裝法[2]作為一種無(wú)支架施工的方法，在地理?xiàng)l件惡劣的地區(qū)成為了當(dāng)前施工拱橋拱肋的首選方案。纜索吊裝斜拉扣掛懸臂拼裝法由纜索系統(tǒng)與斜拉扣掛系統(tǒng)兩部分組成[3][4]，主要結(jié)構(gòu)是各類纜索與鋼結(jié)構(gòu)塔架，施工時(shí)利用纜索吊裝系統(tǒng)將拱肋分節(jié)段吊裝就位，并用臨時(shí)扣索將拱肋固定在塔架的錨梁上，再進(jìn)行下節(jié)段拱肋的拼裝直至合龍。鋼結(jié)構(gòu)塔架是拱肋拼裝過(guò)程中主要的承重結(jié)構(gòu)，其承載能力及穩(wěn)定性必須滿足施工要求，因而搭建塔架時(shí)須對(duì)其設(shè)置順、橫橋向的纜風(fēng)，保證塔架在整個(gè)施工過(guò)程中具有足夠的剛度，以便順利完成拱肋的拼裝[5-10]。實(shí)際施工過(guò)程中塔架順橋向纜風(fēng)的設(shè)置較為容易，而橫橋向纜風(fēng)易受到塔架所處地理位置條件的限制導(dǎo)致無(wú)法找到合適的橫向錨固點(diǎn)進(jìn)行錨固，即無(wú)法設(shè)置橫向風(fēng)纜，因而在橫風(fēng)及其他橫向荷載作用下，塔架柱腳可能會(huì)出現(xiàn)拉力，使得塔架存在較大的安全隱患。因而有必要對(duì)無(wú)橫向纜風(fēng)的塔架進(jìn)行施工階段分析，并主要針對(duì)其柱腳錨固措施進(jìn)行驗(yàn)算、加固，保證塔架的安全性。

1 工程概況

某計(jì)算跨徑為280m 中承式鋼筋混凝土拱橋是位于重慶市境內(nèi)的一座鐵路橋，其拱肋線形按照1.5 次拋物線形變化，線形方程為h=0.0017918126×（141-x）1.5+3.9。拱肋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為桁架式C60 鋼管混凝土勁性骨架再外包C55混凝土的平行拱，單片拱的上下鋼管混凝土弦桿共計(jì)4肢，并在拱肋間設(shè)置9 道橫梁將左右兩片拱肋連接為一體。

該拱橋位于山區(qū)且下跨一河流庫(kù)區(qū)，遂采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工其拱肋勁性骨架，并實(shí)施“吊扣一體”[7]的方案分別在河流南北兩岸搭設(shè)一座鋼結(jié)構(gòu)塔架，用于纜索吊機(jī)主索道及拱肋扣索的安裝與后期承重。北岸塔架高度為98m，南岸高度為104m，塔架頂部橫橋向長(zhǎng)34.5m，順橋向?qū)?m，整體采用門式結(jié)構(gòu)，由8 根φ813×14mm 螺旋鋼管柱及N 型萬(wàn)能桿件組合而成，均為Q235 材質(zhì)。螺旋鋼管柱間利用萬(wàn)能桿件組成的橫梁進(jìn)行聯(lián)系，并采用雙拼窄翼緣HN600×200mm 型鋼作為鋼管柱頂部縱梁及橫梁，塔架塔冠處于縱、橫梁之上，均采用N 型萬(wàn)能桿件拼裝而成，塔架設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 塔架構(gòu)造（mm）

兩岸塔架根據(jù)地形條件設(shè)置7 道不同角度的順橋向纜風(fēng)，但因南北兩岸塔架所處位置均在河岸向河內(nèi)凸出的一塊區(qū)域內(nèi)，橫橋向纜風(fēng)無(wú)合適的地錨位置，所以該橋塔架未設(shè)置橫橋向纜風(fēng)，塔架僅靠鋼管柱腳與基礎(chǔ)的錨固措施來(lái)抵抗橫橋向的不平衡荷載。因此本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行塔架鋼管柱腳錨固措施進(jìn)行驗(yàn)算并加固，保證該橋塔架柱腳錨固措施能夠滿足各施工階段要求。

2 塔架柱腳驗(yàn)算及加固

2.1 塔架有限元計(jì)算

根據(jù)纜索吊系統(tǒng)的原設(shè)計(jì)文件，采用有限元軟件Midas Civil 建立纜索吊系統(tǒng)有限元模型（圖2），纜索及扣錨索有采用僅受拉桁架單元，其余桿件均采用梁?jiǎn)卧?，塔架材料為Q253 鋼材，單座塔架模型共計(jì)9498 個(gè)單元，5801 個(gè)節(jié)點(diǎn)。塔架分析計(jì)入結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載及主索道施加的荷載，忽略溫度變化的影響。驗(yàn)算時(shí)主要考慮2種拱肋吊裝狀態(tài)（最大懸臂狀態(tài)、拱肋4 節(jié)段吊裝后）和16 種荷載工況，荷載工況如表1 所示。表1 中的“順橋向”是指風(fēng)由小里程吹向大里程；“逆橋向”是指風(fēng)由大里程吹向小里程。主要考察塔架在結(jié)構(gòu)自重、吊裝荷載以及順、逆、橫風(fēng)荷載作用下的受力行為。

圖2 纜索吊裝系統(tǒng)有限元模型

表1 工況信息表

采用有限元方法對(duì)此無(wú)橫向纜風(fēng)塔架進(jìn)行施工階段分析計(jì)算后，提取模型在各工況下鋼管柱柱腳的內(nèi)力，發(fā)現(xiàn)整個(gè)施工階段中南岸塔架柱腳出現(xiàn)有較大負(fù)反力，其4#鋼管柱（圖3）在“2 組小車空載位于南岸近塔架處+9 級(jí)橫風(fēng)”（即工況6）的工況下，柱腳出現(xiàn)了高達(dá)710.3kN 的拉力以及717.4kN·m 的彎矩。塔架作為壓彎結(jié)構(gòu)，其柱腳不應(yīng)出現(xiàn)拉力，但因?yàn)樗芪丛O(shè)置橫向纜風(fēng)，從而導(dǎo)致塔架處于這一安全隱患中，所以有必要對(duì)鋼管柱腳與基礎(chǔ)的錨固措施進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算，并采取措施加固柱腳，消除這一安全隱患。

圖3 塔架柱腳編號(hào)順序

2.2 塔架柱腳錨固措施抗拉驗(yàn)算

塔架鋼管柱基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，且單座塔架同側(cè)的4 根鋼管柱均處于同一承臺(tái)上。施工樁頂承臺(tái)時(shí)，預(yù)先埋設(shè)12 根直徑30mm 的Q235 螺栓錨桿作為預(yù)埋件，并按照300mm與400mm 的間距布置在柱腳一周，后期將其與鋼管柱柱腳的法拉盤相連接，用于固定塔架鋼管柱。通過(guò)2.1 節(jié)已知南岸塔架4#鋼管柱柱腳最大要承受710.270kN 的拉力以及717.452kN·m 的彎矩，若將此荷載分?jǐn)偟礁黝A(yù)埋件上時(shí)，現(xiàn)有的預(yù)埋件的抗拉承載力是否能滿足施工及規(guī)范要求，需要進(jìn)一步驗(yàn)算。

根據(jù)現(xiàn)行相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135-2019）[11]中第5.9.2 條可知，當(dāng)圓形法蘭盤只受拉力N 和彎矩M 時(shí)，對(duì)于該塔架柱腳法蘭盤來(lái)說(shuō)，普通螺栓與承壓型高強(qiáng)螺栓的拉力可分為兩種情況進(jìn)行驗(yàn)算：第一種，螺栓均受拉，按繞著螺栓群形心軸轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算；第二種，當(dāng)按照第一種計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算后，有螺栓拉力出現(xiàn)負(fù)值時(shí)表明螺栓并不是均受拉，應(yīng)按繞鋼管柱外沿切線轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算，如圖4 所示。

圖4 塔架單個(gè)柱腳法蘭盤錨桿錨固示意

①假設(shè)鋼管柱腳法蘭盤上螺栓在軸向拉力N 與彎矩M 作用下全都受拉時(shí)，按繞著螺栓群形心軸（旋轉(zhuǎn)軸1）轉(zhuǎn)動(dòng)，則螺栓拉力為：

式中：M、N 分別表示法蘭盤所受到的彎矩與軸向拉力；yi表示第i 個(gè)螺栓到旋轉(zhuǎn)軸的距離；yn表示距離旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的螺栓到旋轉(zhuǎn)軸的距離，yn=500mm；n0表示螺栓個(gè)數(shù)，n0=12；表示螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，為98960N。

由此可計(jì)算得螺栓最大拉力為：

由計(jì)算可知，距離旋轉(zhuǎn)軸1 為-500mm 的螺栓出現(xiàn)了負(fù)向拉力，則表示該橋南岸塔架4#鋼管柱柱腳法蘭盤螺栓群在此荷載下并非都處于受拉狀態(tài)，因此根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，該法蘭盤應(yīng)按照第二種情況對(duì)螺栓進(jìn)行抗拉驗(yàn)算。

②螺栓群不都受拉時(shí)，在荷載N 與M 的作用下繞鋼管柱外沿切線（旋轉(zhuǎn)軸2）轉(zhuǎn)動(dòng)，螺栓拉力為：

式中：e 表示兩旋轉(zhuǎn)軸間的距離，e=406.5mm；

y’n 表示距離旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的螺栓到旋轉(zhuǎn)軸的距離，y’n=906.5mm。

即距離旋轉(zhuǎn)軸最遠(yuǎn)的單根螺栓錨桿需承受220159N的拉力，而直徑為30mm 的Q235 錨桿拉力設(shè)計(jì)值為98960N，說(shuō)明目前塔架柱腳錨固方案不能滿足施工及規(guī)范要求，具有較大安全隱患，必須對(duì)柱腳進(jìn)行加固，消除安全隱患。

2.3 塔架柱腳加固驗(yàn)算

塔架鋼管柱腳按照預(yù)先錨固方案，采用預(yù)埋的12 根直徑為30mm 的錨桿固定柱腳，但經(jīng)過(guò)對(duì)塔架施工階段分析后發(fā)現(xiàn)南岸塔架4#柱腳出現(xiàn)較大拉力，導(dǎo)致預(yù)先柱腳錨固方案不能滿足要求。因此需要對(duì)兩岸塔架鋼管柱腳進(jìn)行加固，提升鋼管柱腳與基礎(chǔ)的錨固力。通過(guò)2.2 節(jié)驗(yàn)算可知，螺栓錨桿不是都受拉，且螺栓群繞旋轉(zhuǎn)軸2 轉(zhuǎn)動(dòng)，因此加固方案選擇在受拉螺栓錨桿側(cè)增加5 根直徑為32mm、長(zhǎng)度為2000mm 的PSB800 精軋螺紋鋼（圖5），通過(guò)后期鉆孔、注漿C40 混凝土后錨固塔架柱腳。

圖5 新增PSB800 精扎螺紋鋼加固設(shè)計(jì)圖

按照規(guī)范對(duì)加固后的柱腳進(jìn)行驗(yàn)算，新增的5 根精軋螺紋鋼其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為687MPa，遠(yuǎn)大于預(yù)埋的Q235 螺栓錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，所以對(duì)加固后的鋼管柱腳螺栓群抗拉驗(yàn)算時(shí)，可偏安全的只考慮新增精扎螺紋鋼的作用，按式（3）可計(jì)算得到精扎螺紋鋼的最最大拉力為：

因此新增5 根直徑為32mm 的PSB800 精扎螺紋鋼后，其抗拉性能得到有效提高，且僅考慮精扎螺紋鋼的作用就能夠滿足施工及規(guī)范要求。同時(shí)預(yù)先埋設(shè)的12 根螺栓錨桿在此基礎(chǔ)上還能提供更多抗力，從而可有效保證塔架鋼管柱腳錨固桿件在施工過(guò)程中不被拉斷失效。塔架柱腳加固后的實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 PSB800 精扎螺紋鋼加固

2.4 塔架柱腳錨固桿件錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算

塔架鋼管柱腳錨固措施新增PSB800 精軋螺紋鋼后，按照相應(yīng)規(guī)范驗(yàn)算了其抗拉性能，計(jì)算結(jié)果表明增設(shè)的螺紋鋼能夠有效抵抗施工階段產(chǎn)生的拉力，且有一定的安全系數(shù)。但預(yù)埋螺栓錨桿及精軋螺紋鋼在混凝土基礎(chǔ)中的錨固長(zhǎng)度是否足夠，能否保證各錨固桿件不被拉脫拔出而失效，也是必須進(jìn)行驗(yàn)算的內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[12]中第8.3.1 條可知，普通鋼筋錨固長(zhǎng)度是在得知鋼筋基本錨固長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上計(jì)算而來(lái)的。受拉普通鋼筋基本錨固長(zhǎng)度：

式中：α 表示錨固鋼筋外形系數(shù)；fy表示錨固鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ft表示混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；d 表示錨固鋼筋直徑。

在此基礎(chǔ)上，可得到受拉鋼筋錨固長(zhǎng)度：

式中：ζα表示錨固鋼筋外形系數(shù)。

塔架鋼管柱柱腳預(yù)埋件Q235 螺栓錨桿是直接錨固于C30 承臺(tái)內(nèi)的，而PSB800 精軋螺紋鋼是后期加固時(shí)通過(guò)鉆孔、灌注C40 混凝土后再錨固于承臺(tái)內(nèi)。因此結(jié)合各類錨固桿件的錨固方式以及公式（6）、（7）中各參數(shù)意義，分別統(tǒng)計(jì)兩類普通錨固鋼筋的錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算參數(shù)如表2。

表2 普通鋼筋錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算參數(shù)

將表2 中各驗(yàn)算參數(shù)依次代入式（6）、（7）中，Q235 螺栓錨桿錨固長(zhǎng)度：

PSB800 螺紋鋼錨固長(zhǎng)度：

根據(jù)設(shè)計(jì)文件及后期加固方案可知，12 根直徑為30mm 的Q235 螺栓錨桿設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為800mm，5 根直徑32mm 的PSB800 精扎螺紋鋼設(shè)計(jì)錨固長(zhǎng)度為2000mm。同時(shí)經(jīng)過(guò)式（8）與式（9）的計(jì)算可知，兩類錨固桿件實(shí)際錨固長(zhǎng)度均大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）中要求的錨固長(zhǎng)度，滿足規(guī)范及施工要求。

3 結(jié)論

本文根據(jù)工程實(shí)際，分析了無(wú)橫向纜風(fēng)塔架在各類工況下的受力狀態(tài)，并對(duì)無(wú)橫向纜風(fēng)塔架鋼管柱腳錨固措施進(jìn)行了復(fù)核驗(yàn)算，采取措施進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，通過(guò)有限元分析及加固驗(yàn)算得到以下結(jié)論：

①無(wú)橫向纜風(fēng)塔架在拱肋吊裝階段，由于橫橋向風(fēng)荷載的作用可能會(huì)導(dǎo)致塔架柱腳出現(xiàn)較大的拉拔力，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，并采取有效措施進(jìn)行加固。

②采用Q235 材質(zhì)的螺栓錨桿作為塔架柱腳法蘭盤錨固措施時(shí)，錨桿用量較大，且其作用不明顯；而采用PSB800 精扎螺紋鋼以及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值更高的鋼筋對(duì)塔架柱腳進(jìn)行錨固的價(jià)值意義更高。